[논문 리뷰] Origin of high piezoelectricity at the morphotropic phase boundary (MPB) in (Pb0.94Sr0.06)(ZrxTi1-x)O3

Ravindra Singh Solanki, S. K. Mishra외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 07.

Acoustic Wave Resonator Technologies참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 (Pb0.94Sr0.06)(Zr_xTi_{1-x})O₃ (PSZT)에서 x = 0.530에서의 다형상 경계(MPB)에서 피에조전기 반응의 최고치가 발생하는 주요 원인으로 탄성 계수의 연성화를 규명한다. 동기광선 X선 회절, 유전율, 피에조전기 및 음속 측정을 통해 탄성 연성화가 큰 변형과 분극을 가능하게 하여, 수은이 없는 피에조전기 재료 설계를 위한 새로운 원칙을 제시한다.

ABSTRACT

In this work, we address the issue of peaking of piezoelectric response at a particular composition in the morphotropic phase boundary (MPB) region of (Pb0.940Sr0.06)(ZrxTi1-x)O3 (PSZT) piezoelectric ceramics. We present results of synchrotron x-ray powder diffraction, dielectric, piezoelectric and sound velocity studies to critically examine the applicability of various models for the peaking of physical properties. It is shown that the models based on the concepts of phase coexistence, polarization rotation due to monoclinic structure, tricritical point and temperature dependent softening of elastic modulus may enhance the piezoelectric response in the MPB region in general but cannot explain its peaking at a specific composition. Our results reveal that the high value of piezoelectric response for the MPB compositions in PSZT at x=0.530 is due to the softening of the elastic modulus as a function of composition. The softening of elastic modulus facilitates the generation of large piezoelectric strain and polarization on approaching the MPB composition of x=0.530. This new finding based on the softening of elastic modulus may pave the way forward for discovering/designing new lead-free environmentally friendly piezoelectric materials and revolutionize the field of piezoelectric ceramics.

연구 동기 및 목표

• PSZT 세라믹의 다형상 경계(MPB) 영역에서 특정 조성에서 피에조전기 반응이 최대가 되는 이유에 대한 오랫동안 남아있던 질문을 해결하기 위해.
• 피E제조, 분극 회전, 임계점, 탄성 연성화 등의 기존 모델이 피에조전기 반응의 조성 특이적 최대치를 설명하는 데 얼마나 효과적인지 비판적으로 평가하기 위해.
• (Pb0.94Sr0.06)(Zr_xTi_{1-x})O₃에서 x = 0.530에서 최대 피에조전기 반응을 일으키는 주요 물리 메커니즘을 규명하기 위해.
• 탄성 연성화를 바탕으로 환경에 친화적인 수은이 없는 피에조전기 재료 개발을 위한 새로운 설계 기준을 제시하기 위해.

제안 방법

• MPB 조성 범위에서의 결정 구조 변화를 분석하기 위해 동기광선 X선 회절 분석을 수행하였다.
• MPB 근처에서의 조성 의존성 반응을 정량화하기 위해 유전율 및 피에조전기 측정을 수행하였다.
• 탄성 계수를 추출하고 그 연성화 행동을 평가하기 위해 조성에 따른 음속 측정을 수행하였다.
• x = 0.530에서 관측된 피에조전기 반응 최대치와 측정된 탄성 연성화를 연관시켰다.
• 실험 데이터를 바탕으로 경쟁적 이론 모델(상 공존, 분극 회전, 임계점, 탄성 연성화)을 평가하였다.
• 조성 의존성 탄성 계수 변화 추세를 사용하여 탄성 계수의 역할이 큰 변형과 분극을 가능하게 하는 데 기여하는지를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PSZT 세라믹에서 x = 0.530에서 피에조전기 반응 최대치가 발생하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 기존의 모델들인 상 공존, 분극 회전, 임계점, 탄성 연성화가 피에조전기 반응의 조성 특이적 최대치를 얼마나 잘 설명하는가?
• RQ3 MPB 범위에서 탄성 계수는 조성에 따라 어떻게 변화하며, 피에조전기 성능 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 탄성 계수의 연성화만으로 관측된 피에조전기 반응 최대치를 설명할 수 있는가, 아니면 다른 요인이 필요할까?
• RQ5 관측된 탄성 연성화 메커니즘은 수은이 없는 피에조전기 재료 개발을 이끄는 데 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• PSZT에서 x = 0.530에서 피에조전기 반응 최대치는 주로 조성에 따른 탄성 계수의 연성화에 기인한다.
• 탄성 계수의 연성화는 외부 전계 하에서 격자 변형에 대한 에너지 장벽을 낮춤으로써 큰 피에조전기 변형과 분극을 가능하게 한다.
• 상 공존, 분극 회전, 임계점 효과를 기반으로 한 모델들은 특정 조성에서의 날카운 피크를 설명하지 못한다.
• 온도 의존적 탄성 계수 연성화만으로는 조성 특이적 최대 반응을 설명할 수 없다.
• 관측된 탄성 연성화가 가장 두드러진 점은 x = 0.530에서 관측된 최대 피에조전기 반응과 일치한다.
• 이 메커니즘은 고성능 수은이 없는 피에조전기 재료 개발을 위한 새로운 일반화 가능한 설계 원칙을 제공한다.